JP2006523013A - 基板素子における電子構成素子 - Google Patents

Abstract

本発明においては、電子構成素子および基板素子、例えば回路基板を備えた装置ないしそのような装置の製造方法が提案される。本発明においては、電子構成素子と基板素子が電気的に接触しており、この電気的な接触は少なくとも１つの第１の材料を介して行われる。さらには電子構成素子と基板素子との間には、第２の材料からなる少なくとも１つの第１の領域が設けられており、殊にこの第１の領域は間隔保持部として機能する。本発明の核心は第１の材料と第２の材料が同等の機械的な特性を有することにある。

Description

従来技術
本発明は、独立請求項の上位概念による装置ないし装置の製造方法に関する。

電子構成素子（ＳＭＤ：表面実装デバイス（Surface Mount Devices））は通常の場合、はんだペーストを用いて熱的な工程で基板材料、例えば回路基板にはんだ付けされる。このように製造された構成素子の寿命にわたり、温度変化に基づくはんだ部位の損傷が観測される可能性がある。この際、熱的な負荷に基づきはんだ材料ないしはんだペーストには微細な亀裂が生じ、この亀裂ははんだ部位を破損させる可能性がある。そのようなはんだ部位の破損は通常の場合、この種の電子構成素子の寿命の制限を意味する。

発明の利点
本発明においては、電子構成素子および基板素子、殊に回路基板を備えた装置ないしそのような装置の製造方法が表される。本発明においては電子構成素子と基板素子が電気的に接触しており、このような電気的な接触は少なくとも１つの第１の材料を介して行われる。さらに電子構成素子と基板素子との間には第２の材料からなる少なくとも１つの第１の領域が設けられており、殊にこの第２の領域は間隔保持部として機能する。本発明の核心は、第１の材料と第２の材料が同等の機械的な特性を有することにある。

電子構成素子と基板素子との間の第１の領域を使用することによって、有利にはそれらの２つの素子から構成されている装置の寿命を延長することができる。電気的な接触部と第１の領域に対して、少なくともその機械的な特性が同等な材料を使用することは製造の際に有利である。何故ならば、これによってそのような製造時には簡単で同時的な処理が実現されるからである。したがって処理時間が延長されることなく第１の領域を形成することが可能である。

本発明の実施形態においては、第１の材料および／または第２の材料が温度に依存する変形を示す。さらには選択的に、２つの材料の内の少なくとも１つははんだ接続部を有する。２つの材料に対してはんだを使用することによって、製造時の簡単な処理を達成することができる。さらにははんだを使用するので非常に僅かな付加コストしか発生しない。

本発明の特別な実施形態においては、電子構成素子は電気的な接触に依存せずに少なくとも部分的に基板素子と機械的に接触している。この機械的な接触は有利には第１の領域を介して行われ、殊に第１の領域は電子構成素子のための少なくとも１つの支持部位を有する。例えば間隔保持部として機能することができるこの種の支持部位によって、電子構成素子の完全な湾曲は阻止される。しかしながらそれ以外にも選択的に、支持部位によって電子構成素子と基板素子との間の電気的な接触に依存せずに別の電気的な接触が行われることも考えられる。しかしながら全く一般的に、第１の領域ないし支持部位によって有利には電気的な接触部の機械的な負荷が軽減されている。

本発明の特別な実施形態においては、電子構成素子にシールリングが取り付けられ、このシールリングは例えば電子構成素子をケーシングと接続させる。このシールリングを押圧力でもって電子構成素子に押しつけることができる。殊に有利には第１の領域の構成が、シールリングが押しつけられることによって生じる圧力の割合に依存する。何故ならば、これによって電気的な接触部への力の伝達を阻止ないし低減することができるからである。電気的な接触部を形成するはんだ部位への力のこのような低減は、はんだ部位の損傷に対する危険ないし低抵抗力を低減する。

圧力の割合に依存する第１の領域を種々に構成することができる。つまり、電子構成素子と基板素子との間の第１の領域の数を圧力の割合に適合させることが考えられる。しかしながら択一的に、個々の第１の領域それぞれの幾何学的な構成および少なくとも１つの領域の位置を電子構成素子の下方において変更することができ、押圧力の可能な限り良好な補償、したがって電気的な接触部における機械的な負荷を可能な限り十分に軽減することができる。第１の領域の適切な数ならびに適切な大きさによって、電気的な接触部、殊にはんだ部位の老化経過を決定的に阻止する、ないし遅延させることができる。殊に圧力の割合を考慮する際に、押圧力の大きさ、電子構成素子への押圧力の接触点および押圧力の方向が問題になる可能性がある。

はんだ支持部位、支持ボールおよび／またははんだ支持バンプとしての第１の領域の構成は殊に有利であり、この場合電子構成素子の下方に複数の第１の領域を配置することも勿論可能である。

本発明の実施形態においては電子構成素子がセンサ素子を有し、このセンサ素子は殊に位置変動に対してクリティカルな測定量を供給する。この理由から、第１の領域によって、外部から加えられる圧力に基づく電子構成素子の位置変動を最小限にすることができる。一般的に、圧力量、空気質量、オイル状態量および／または温度量を検出するセンサ素子を設けることができる。

本発明による装置を製造するために、第１の領域を特徴付けるはんだ接続部は、電子構成素子の実装前に、殊に電気的な接触のためのはんだ接続部と一緒に支持材料に取り付けることができる。

さらなる利点は、後続の実施例の説明ないし従属請求項から明らかになる。

図面
図１ａには、電子構成素子および基板素子から構成されている装置の構造が示されている。図１ｂおよび１ｃは、電気的な接触部におけるはんだの損傷を示す詳細図を含む。図２は電気的な接触部の機械的な負荷の本発明による軽減を示す。図３には、圧力センサにおける支持部位の本発明による使用が例示的に示されている。図４でもって、電子構成素子の実装前の基板素子の可能な構成が例示的に示されている。

実施例
従来技術から公知であるような、電子構成素子１１０（ＳＭＤ；Surface Mount Device）および基板素子１００から構成されている装置が図１ａに示されている。ここでは電子構成素子１１０が導電性の端子１２０を有し、この導電性の端子１２０ははんだ部位１３０を用いて基板素子１００との電気的な接触を確立する。有利には、端子１２０は基板素子１００における位置決めを可能にするように構成されている。このことは典型的には、電子構成素子１１０のボディよりも長い端子１２０によって達成される。これによって一方では、端子足を介する基板素子１００における電子構成素子１１０の位置決めが実現され、他方では電子構成素子１１０の底の基板素子１００への載着が阻止される。結果として、電子構成素子１１０と基板素子１００との間に隙間（空隙）１９０が生じる。

はんだ部位１３０が時間の経過において頻繁な温度変化に曝される場合には、はんだ内において結晶粒粗大化が生じるか、微細な亀裂が形成されることになる。それどころか極端な場合にはこれらの亀裂が、はんだ部位を破損させる可能性がある。この種のはんだ部位の損傷は、そのようなはんだ部位を備えた構成の装置の寿命をしばしば終わらせることになる。電子構成素子１１０ないしはんだ部位が付加的にさらに機械的な負荷に曝される場合には、早期の損傷が生じ、したがってはんだ部位１３０の老化経過を早めることになる。相応の機械的な負荷は例えば、継続的にまたは散発的に電子構成素子１１０に作用する押圧力１５０によって生じる可能性がある。

図１ｂおよび１ｃには、領域１４０に対応しており、外部から電子構成素子１１０に作用する力１５０に起因するはんだ部位の損傷が示されている。押圧力１５０は隙間１９０によって構成素子１１０を撓ませる可能性があるので、はんだ部位１３０の機械的な負荷が生じる。この機械的な負荷は図１ｂにおいて力の分解として示されている。垂直方向の力成分１６０の他に、合成力１８０からは端子１２０ないしはんだ部位１３０における水平方向の力成分１７０が生じ、この水平方向の力成分１７０は端子１２０を外側に向かって、すなわち電子構成素子から離れる方向へと押し出す。はんだ部位１３０のはんだ材料における前述の結晶粒粗大化によって亀裂が形成され、また最終的には図１cに示されているように、１つまたは複数の破損部１３２ないし１３４へとはんだ部位１３０を破損させる。はんだ部位１３０の破損と同時に、電子構成素子１１０と支持素子１００との間の電気的な接触が破壊される。この理由から、ＳＭＤ構成素子のはんだ技術の黄金則では、はんだ部位に圧力ないし力が及ぼされるべきではないことになっている。

したがって本発明によれば早期のはんだ部位の損傷を阻止するために、電子構成素子１１０の下方に１つまたは複数の支持部位２００が基板素子に取り付けられる。この種の支持部位２００によって電子構成素子１１０のボディは極僅かで制限的にしか外部からの力１５０に従わない。この結果として、端子１２０ないしはんだ部位１３０に作用する合成力１８０は低減される。したがってやはり水平方向の力成分１７０は低減される、もしくはそれどころか支持部位２００の位置の適切な選択によって完全に阻止される。

一般的に支持部位を、電子構成素子１１０に作用する圧力ないし力の割合に依存して変更することができる。個々の支持部位の数、位置を変更することができるが、しかしながらまた幾何学を変更することもできる。有利には複数の支持部位２００が電子構成素子１１０と基板素子１００との間に挿入される。したがって力１５０を複数の部分力１５５に分散させることができる。

図３には、電子構成素子１１０が殊に圧力を検出するためのマイクロメカニカルなセンサ素子を有する特別な実施例が示されている。しかしながらさらには、電子構成素子１１０が空気質量、オイル状態量および／または温度量を検出することに適していることも考えられる。センサ素子は圧力を検出するために周囲の媒体と接していなければならないので、開口部３２０をケーシング３１０に設けることができ、この開口部３２０を介して媒体は電子構成素子１１０内のセンサ素子と接することができる。有利には、電子構成素子１１０にシールリング３００が取り付けられ、このシールリング３００はケーシング３００を介して一定の力３３０でもって電子構成素子１１０に押しつけられる。この力３３０を補償するために支持部位２００を、合成力の水平方向の力成分が回避されるように電子構成素子１１０の下方に取り付けることができる。

本発明の特別な実施形態においては、支持部位がはんだ部位、はんだバンプまたははんだボールとして実現されている。このことは、支持部位２００をはんだ部位１３０と同時に製造過程において製造できるという利点を有する。したがって付加的で場合によっては煩雑な処理ステップによる処理時間の延長は必要ない。さらには、支持部位に対する材料としてはんだを使用する際には付加的なコストは僅かにしか生じない。これは主としてはんだの過剰消費が殆どないことによって生じる。支持部位ないし支持ボールとはんだ部位が同一の材料から構成されているので、これらはやはり同一に機械的な特性を有する。これによって例えば装置の製造中または動作時の基板素子における電子構成素子の不所望な応力は回避される。さらにははんだ部位の老化経過を加速させる虞のある作用が遮断ないし遅延されるので、支持部位ははんだ部位の寿命を何倍にも延ばす。

別の実施形態においては電子構成素子を基板素子に実装する前に種々の接触面が準備され、この接触面に電子構成素子の端子が事後的にはんだ付けされる。この種の基板素子４００が例示的に図４に示されている。この図４においては種々の接触面４１０，４２０および４３０を識別することができ、これらの接触面を用いて電子構成素子を基板素子の表面において整列させることができる。効率的な製造過程を実現するために、電子構成素子が基板素子に取り付けられる前に接触面と共に同時に支持部位４４０も取り付けられる。ここで図４は支持部位の位置決めの可能な１つの実施形態を表すに過ぎない。同様に、支持部位の三角形、五角形ないしその他の対称ないし非対称な配置も考えられる。

しかしながら本発明の特別な実施形態においては、支持部位を基板素子における実装前に、電子構成素子の裏面、すなわち底に直接取り付けることができる。

前述のように支持部位の材料としてはんだを使用する以外に、支持部位をエポキシ接着剤から製造することも考えられる。さらには、スタンドオフを備えた電子構成素子のケーシングの構成も考えられる。しかしながら後者の場合には、パッケージング製造において新たな製造ラインによってのみ実現できる新たな構成素子型が生じることになる。さらにスタンドオフを使用する場合には、スタンドオフが温度変化によって押しつぶされないようにするために適切な設計が選択されなければならないことを考慮する必要がある。

別の実施例においては、図２の電子構成素子を最初から支持部位に載置しなくてもよい。つまり例えば、電子構成素子は力が加えられた際に、支持部位と機械的に接触するまで差し当たり依然として小さな隙間を含むことができる。さらには、少なくとも１つの支持部位においては隙間を含んでいる必要があり、これに対して少なくとも別の支持部位においては力が加えられていない状態でも機械的な接触が生じていることも考えられる。

電子構成素子および基板素子から構成されている装置の構造。 電気的な接触部におけるはんだの損傷を示す詳細図。 電気的な接触部におけるはんだの損傷を示す詳細図。 電気的な接触部の機械的な負荷の本発明による軽減。 圧力センサにおける支持部位の本発明による使用の実施例。 電子構成素子の実装前の基板素子の可能な構成の実施例。

Claims (15)

1. 電子構成素子（１１０）および基板素子（１００）、例えば回路基板を備えた装置であって、
   −前記電子構成素子（１１０）および前記基板素子（１００）は少なくとも１つの第１の材料を用いる電気的な接触部（１３０）を有し、
   −前記電子構成素子（１１０）と前記基板素子（１００）との間には、第２の材料からなる少なくとも１つの第１の領域（２００）が設けられている装置において、
   前記第２の材料は前記第１の材料に最大限対応する機械的な特性を有することを特徴とする、装置。
2. 前記第１の材料および／または前記第２の材料は、
   −温度に依存する変形を示す、および／または、
   −はんだ接続部を有する、請求項１記載の装置。
3. 前記電子構成素子（１１０）は前記電気的な接触部（１３０）に依存せずに、少なくとも部分的に前記第１の領域（２００）を介して前記基板素子（１００）と機械的に接触しており、例えば前記第１の領域（２００）は前記電子構成素子（１１０）に対する少なくとも１つの支持部位（２００）を有する、請求項１記載の装置。
4. 前記第１の領域（２００）は前記機械的な接触部の機械的な負荷を軽減し、例えば前記第１の領域（２００）は少なくとも１つの支持部位（２００）または支持ボールを有する、請求項１記載の装置。
5. 前記電子構成素子（１１０）にシールリング（３００）が取り付けられており、該シールリング（３００）は圧力（３３０）下で前記電子構成素子（１１０）上に保持され、例えば前記第１の領域（２００）は圧力の割合に依存して構成されている、請求項１記載の装置。
6. 前記圧力の割合に依存して、前記電子構成素子（１１０）と前記基板素子（１００）との間において、
   −前記第１の領域の数および／または
   −前記第１の領域の幾何学的な構成および／または
   −前記第１の領域の位置が設定されており、例えば圧力の割合として押圧力、圧力が加えられている点および押圧力の方向が考慮されている、請求項５記載の装置。
7. 前記電子構成素子（１１０）はセンサ素子を有し、例えば該センサ素子は圧力量、空気質量、オイル状態量および／または温度量を検出する、請求項１記載の装置。
8. 前記電子構成素子（１１０）の下方にはんだバンプとしての複数のはんだ接続部が配置されている、請求項１記載の装置。
9. 電子構成素子（１１０）および基板素子（１００）、例えば回路基板を備えた装置、例えば請求項１から８までのいずれか１項記載の装置の製造方法であって、
   −前記電子構成素子（１１０）と前記基板素子（１００）との間に、少なくとも１つの第１の材料を用いて電気的な接触部（１３０）を製造し、
   −前記電子構成素子（１１０）と前記基板素子（１００）との間に、第２の材料からなる少なくとも１つの第１の領域（２００）を製造する装置の製造方法において、
   前記第２の材料は前記第１の材料に最大限対応する機械的な特性を有することを特徴とする、装置の製造方法。
10. 前記第１の材料および／または前記第２の材料は、
    −温度に依存する変形を示す、および／または、
    −はんだ接続部を有する、請求項９記載の方法。
11. 前記電子構成素子（１１０）を前記電気的な接触部（１３０）に依存せずに、前記第１の領域（２００）の少なくとも一部を介して前記基板素子（１００）との機械的に接触させ、例えば前記第１の領域（２００）は前記電子構成素子（１１０）に対する少なくとも１つの支持部位（２００）を有する、請求項９記載の方法。
12. 前記第１の領域（２００）は前記電気的な接触部（１３０）の負荷を機械的に軽減し、例えば前記第１の領域（２００）は少なくとも１つの支持部位（２００）または支持ボールを有する、請求項９記載の方法。
13. 前記電子構成素子（１１０）にシールリング（３００）を取り付け、該シールリング（３００）を圧力（３３０）下で前記電子構成素子（１１０）上に保持し、例えば前記第１の領域（２００）の構成は圧力の割合に依存して設定可能である、請求項９記載の方法。
14. 前記圧力の割合に依存して、前記電子構成素子（１１０）と前記基板素子（１００）との間において、
    −前記第１の領域の数および／または
    −前記第１の領域の幾何学的な構成および／または
    −前記第１の領域の位置を設定可能であり、例えば圧力の割合として押圧力、圧力が加えられている点および押圧力の方向を考慮する、請求項１３記載の方法。
15. 前記はんだ接続部を前記第１の領域（２００）において、前記電子構成素子（１１０）の実装前に前記基板材料（１００）に取り付ける、請求項１０記載の方法。

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